CONTROL AND OPTIMIZATION OF NOx EMISSION AND EFFICIENCY IN BOILERS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_Report.pdf - Accepted Version Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

الغلاية هي عبارة عن جهاز لتوليد البخار و يستخدم بكثرة في توليد الكهرباء و كذلك في إمداد الطاقة الحرارية المطلوبة لعمليات الصناعة و المباني. يتم توليد البخار بإستغلال الطاقة الحرارية الناتجة من عملية الإحتراق. بيد أن التحدي الهام في هذه العملية يكمن في إنبعاث غاز أكسيد النتريك (NOx) بالإضافة إلى مفقودات الطاقة من جملة الطاقة الكلية التي يحويها الوقود. الأمر الذي يتطلب منا بصورة حتمية تقليل هذه المفقودات من أجل تحسين كفاءة الغلاية إلا أنه عندما تضبط المتغيرات المطلوبة لزيادة كفاءة الغلاية فإن ذلك يؤثر سلباً على تكوين غاز أكسيد النتريك أي يزيد من تكوين غاز أكسيد النتريك. و هذه المعضلة بدورها تتكرر عندما تضبط المتغيرات المطلوبة لتقليل إنبعاث أكسيد النتريك (أي أنه عند تقليل إنبعاث أكسيد النتريك فإن كفاءة الغلاية تنخفض أيضاً). علاوة على ذلك فإن تغيراً طفيفاً في طلب البخار قد يسبب إضطراباً في كل ديناميكة نظام الغلاية مما يتسبب في عدم إستقراريتها إذا لم يتم التحكم فيها بصورة صحيحة. كل ذلك يجعل من الحوجة بمكان أخذ قياسات لتحسين كفاءة الغلاية و تقليل إنبعاث أكسيد النتريك إلى أقضى درجة ممكنة مع تنظيم المتغيرات المستخدمة مثل ضغط وعاء الغلاية و مستوى المائع داخل وعاء الغلاية في نفس الوقت. أول و أهم المتطلبات للتعامل مع المشاكل المذكورة أعلاة هو ضرورة الحصول على نموذج ديناميكي للكفاءة، و أكسيد النتريك (NOx) و متغيرات الإستجابة لنظام الغلاية. لتتبع تكلفة عمليات الغلاية نحتاج لحساب الكفاءة بدقة كافية بتوظيف الأدوات الحسابية الفعالة. في هذه الرسالة ، قد قمنا ببحث تعديل جديد في الصيغة الرياضية التقليدية للكفاءة المبنية على الكفاءة المتغيرة زمنياً باستخدام المتغيرات أو العوامل المستخدمة في الغلاية و المتغيرة مع الزمن. هذا التعديل تم إنجازه باستخدام الطريقة الغير مباشرة للكفاءة بتطبيق بيانات التجارب المعملية للمتغيرات لفترة زمنية محددة. علاوة على ذلك تم إستنتاج نموذج رياضي ديناميكي من الدرجة الثانية لدرجة حرارة الوقود لإنشاء صيغة رياضية للكفاءة بدلالة متغيرات الدخل فقط. بعد عملية الحصول على النموذج، تمت مناقشة تأثير تغييرات نسبة الهواء إلى الوقود و معدل إنسياب الوقود في الكفاءة. و تم إثبات أن الكفاءة المتغيرة مع الزمن تعطي تفسيراً أعمق للعلاقة الديناميكية بين الكفاءة و متغيرات الدخل الأخرى لنظام الغلاية خصوصاً نسبة الهواء إلى الوقود و معدل إنسياب الوقود. علاوة على ذلك قد ثبت أن الكفاءة تتفاعل مع المتغيرات الديناميكية للغلاية و في هذا الصدد تم إنشاء علاقة ديناميكية بين عملية الإحتراق و ديناميكية الغلاية باستنتاج الكفاءة الديناميكية. بعد عملية الحصول على نموذج للكفاءة، تم إجراء دراسة مفصلة لبحث كيفية الإنبعاث الحراري لأكسيد النتريك، و تفاعل الكفاءة و ديناميكية نظام الغلاية مع بعضهما البعض. في هذا الصدد، قد تم التحقيق في النماذج الديناميكية لأكسيد النتريك، و الكفاءة، و المتغيرات الأخرى المستخدمة في الغلاية و هذه النماذج قد تم دمجها لتشكل نموذج مشترك لنظام الغلاية الكامل. هذا النموذج قد إستخدم بعد ذلك لتكوين تحكم فعال لمتغيرات الغلاية مع التوفيق بين تحسين الكفاءة و تقليل الإنبعاث الحراري لأكسيد النتريك. جميع نتائج النمذجة، و التحكم، و التحسين تم التحقق من صحتها باستخدام بيانات واقعية من غلاية صناعية.

English Abstract

Boiler is a steam generating device heavily used to generate electricity and provide heat in process industry and buildings. The generation of steam is carried out by harnessing thermal energy generated via combustion process. The key challenges that are posed in this process are harmful nitric oxide emissions and the energy losses from the total energy contained in the fuel. It is highly desired to reduce these losses to improve boiler efficiency, however, when the operational parameters are adjusted to maximize boiler efficiency, the nitric oxides formation is adversely affected i.e. nitric oxides formation also goes up. This dilemma repeats when operational parameters are manipulated to decrease nitric oxides i.e. efficiency also gets reduced while minimizing nitric oxide emissions. Moreover a little change in demand of steam may cause disturbance in all the dynamics of boiler which may go unstable if not controlled properly. All these issues necessitate measures to be taken to optimize boiler efficiency and nitric oxide as well as to regulate operational parameters like drum pressure and drum level all at the same time. First and foremost requirement to address the above-stated issues is to have dynamic models of efficiency, NOx and response variables of boiler. To keep track of boiler’s operation cost, efficiency needs to be calculated with adequate accuracy by employing effective mathematical tools. In this thesis work, we have investigated a new modification in conventional mathematical formulation of efficiency based on time varying efficiency using time varying operational variables of boiler. This modification has been accomplished using indirect method of efficiency by applying experimental data of variables for certain time span. Moreover a second order dynamic model of flue gas temperature has been derived to construct the mathematical formulation of efficiency in terms of available inputs only. After modeling, influence of variations in air to fuel ratio and fuel flow rate upon efficiency is discussed and it is shown that time varying efficiency covers deeper aspect of dynamic relation between efficiency and other input of boiler especially air to fuel ratio and fuel flow rate. Moreover it has been established that efficiency interacts with the dynamics of boiler and in this respect a dynamic relation between combustion process and boiler dynamics has been constructed by deriving dynamic efficiency. After modeling efficiency, a detailed study has been carried out to investigate how thermal nitric oxides emissions, efficiency and dynamics of boiler interact with each other. In this respect, dynamic models of nitric oxides, efficiency and other operational variables of boiler have been investigated and these models have been augmented to form a joint model of whole boiler system. This model is then utilized to form an efficient control of boiler variables along with tradeoff based optimization between efficiency and thermal nitric oxides emission. All the results of modeling, control and optimization have been validated by using a real input data from a typical package boiler.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Mechanical
Department:	College of Computing and Mathematics > lndustrial and Systems Engineering
Committee Advisor:	Elshafei, Moustafa
Committee Co-Advisor:	Habib, Mohamed
Committee Members:	Alzaharnah, Iyad and Mysorewala, Muhammad Faizan and Vaqar, Sayyid Anas
Depositing User:	AHMED REHAN (g201305890)
Date Deposited:	29 May 2016 05:27
Last Modified:	01 Nov 2019 16:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139988